2.4 无线信道
2.4.1 无线信道的基本概念
无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。
与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。对于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。此外，在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。
无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。
2.4.2 电磁波在无线信道中的传播
电磁波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。传播特性直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。不仅如此，对于移动通信系统的无线信道环境而言，其信道环境比固定无线通信的信道环境更复杂，因而不能简单地用固定无线通信的电波传播模式来分析，必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析。
对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。在陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道越发多变而且难以控制。
1． 基本传播机制
无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射和散射。
（1）直射：即无线信号在自由空间中的传播；
（2）反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射，反射一般在地球表面，建筑物、墙壁表面发生；
（3）绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的物体边缘阻挡时发生绕射；
（4）散射：当无线路径中存在小于波长的物体并且单位体积内这种障碍物体的数量较多的时候发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体上，一般树叶、灯柱等会引起散射。
2． 无线信道的指标
（1）传播损耗
多种传播机制的存在使得任何一点接收到的无线信号都极少是经过直线传播的原有信号。一般认为无线信号的损耗主要由以下三种构成。
① 路径损耗：由于电波的弥散特性造成的，反映了在公里量级的空间距离内，接收信号电平的衰减，也称大尺度衰落；
② 阴影衰落：即慢衰落，是接收信号的场强在长时间内的缓慢变化，一般由于电波在传播路径上遇到由于障碍物的电磁场阴影区所引起的；
③ 多径衰落：即快衰落，是接收信号场强在整个波长内迅速的随机变化，一般主要由于多径效应引起的。
（2）传播时延：包括传播时延的平均值、传播时延的最大值和传播时延的统计特性等；
（3）时延扩展：信号通过不同的路径沿不同的方向到达接收端会引起时延扩展，时延扩展是对信道色散效应的描述；
（4）多普勒扩展：是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落，是对信道时变效应的描述；
（5）干扰：包括干扰的性质以及干扰的强度。
2.4.3 无线信道的传播模型
1． 为什么构建无线信道模型
移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强、时延等参数的快速波动。因此在设计无线通信技术或进行移动通信网络建设之前，必须对信号传播特征、通信环境中可能受到的系统干扰等进行估计，这时的主要依据就是各种不同条件下的无线信道模型。举例来说，在移动网络规划中，如果话务量分布相同，但是建筑物、植被等情况不同，那么就必须应用不同的传播模型。
2． 无线信道模型的分类
无线信道模型一般可分为室内传播模型和室外传播模型，后者又可以分为宏蜂窝模型和微蜂窝模型。
（1）室内传播模型：室内传播模型的主要特点是覆盖范围小、环境变动较大、不受气候影响，但受建筑材料影响大。典型模型包括：对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型等；
（2）室外宏蜂窝模型：当基站天线架设较高、覆盖范围较大时所使用的一类模型。实际使用中一般是几种宏蜂窝模型结合使用来完成网络规划；
（3）室外微蜂窝模型：当基站天线的架设高度在3~6m时，多使用室外微蜂窝模型；其描述的损耗可分为视距损耗与非视距损耗。
在网络规划中常用的传播模型，一般都被网络规划辅助软件所集成。这些模型经常与实
测结果相结合来完成网络规划。表2-4给出了常见的信道传播模型。
需要指出的是，由于移动环境的复杂性，不可能建立单一的模型。不同的模型是从不同传播环境的实测数据中归纳而得出的，都有一定的适用范围。进行系统工程设计时，模型的选择是很重要的，有时不同的模型会给出不同的结果。因此，传播环境对无线信道特性起着关键作用。
3． 如何构建传播模型
信道模型建立的准确与否关系到无线通信技术设计的是否合理，移动网络的规划是否符合实际情况，但由于不同地点的传播环境千差万别，所以很难得到准确而通用的模型。对无线信道进行研究的基本方法有三种。
（1）理论分析：即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述无线信道。构建理论信道模型首先需要将无线传播环境进行大致分类（如大城市、中小城市、效外）之后，然后提出一些假设条件使信道数学模型简化，进行理论分析和推导，得出理论模型。因此，数学模型对信道的描述都是近似的。即便如此，信道的理论模型对人们认识和研究无线信道仍可起指导作用；
（2）现场实测：建立在大量实测数据和经验公式的基础之上，选取典型环境，进行电波传播实测试验。测试参数包括接收信号幅度、延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果，建立经验模型。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究无线信道的重要方法。
（3）计算机模拟：是近年来随着计算机技术的发展新出现的研究方法。如前所述，任何理论分析，都要假设一些简化条件，而实际移动传播环境是干变万化的，这就限制了理论结果的应用范围。现场实测，较为费时、费力，并且也是针对某个特定环境进行的。而计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速地模拟各种移动环境。因而，计算机模拟越来越成为研究无线信道的重要方法。
在实际的应用中经常将以上几种方法结合使用，例如使用第二种方法得到的模型对理论推导获得的模型进行修正。
4． 传播模型的输入参数
传播模型的数学描述都比较复杂，一般给出的是损耗或场强的分布函数，模型的输入参数主要有：自然地形特征、植被特征、天气状况、电磁噪声状况、天线高度（包括接收机和发射机的天线高度）、建筑物的分布、建筑物的平均高度、载波频率、波长、收发天线之间的距离等。
2.4.4 无线信道的特点
（1）频谱资源有限：虽然可供通信用的无线频谱从数十MHz到数十GHz，但由于无线频谱在各个国家都是一种被严格管制使用的资源，因此对于某个特定的通信系统来说，频谱资源是非常有限的。而且目前移动用户处于快速增长中，因此必须精心设计移动通信技术，以使用有限的频谱资源；
（2）传播环境复杂：前面已经说明了电磁波在无线信道中传播会存在多种传播机制，这会使得接收端的信号处于极不稳定的状态，接收信号的幅度、频率、相位等均可能处于不断变化之中；
（3）存在多种干扰：电磁波在空气中的传播处于一个开放环境之中，而很多的工业设备或民用设备都会产生电磁波，这就对相同频率的有用信号的传播形成了干扰。此外，由于射频器件的非线性还会引入互调干扰，同一通信系统内不同信道间的隔离度不够还会引入邻道干扰；
（4）网络拓扑处于不断的变化之中：无线通信产生的一个重要原因是可以使用户自由的移动。同一系统中处于不同位置的用户、以及同一用户的移动行为，都会使得在同一移动通信系统中存在着不同的传播路径，并进一步会产生信号在不同传播路径之间的干扰。此外，近年来兴起的自组织（ad-hoc）网络，更是具有接收机和发射机同时移动的特点，也会对无线信道的研究产生新的影响。
